В этой части

Пришло, наконец, время закатать рукава и приняться за работу (то, что не терпится сделать всякому начинающему радиолюбителю). Вам предстоит испытать радость паяния схем, чтобы они не рассыпались всякий раз, когда кто-то берет их в руки. Паять, оказывается, совсем не тяжело, но также требует некоторого опыта и практики, не говоря уже об оборудовании и расходных материалах. В этой главе пришло время узнать нее, что необходимо, для того, чтобы стать профессионалом.

Пришла также пора узнать о том, как пользоваться мультиметром для тестирования схем и выяснения, отчего же все-таки не работает такой классный прибор, собранный своими руками. Мультиметр позволит зам погрузится в сами основы работы схемы и увидеть, как она функционирует (или не функционирует, в зависимости от обстоятельств) со всеми её напряжениями и токами. И. наконец, вы узнаете еще о паре удобнейших, хотя и не обязательных, инструмента} для тестирования электроники: логическом пробнике и осциллографе.

Глава 8

Всё, что нужно знать о пайке

В этой главе...

> Принятие решения о необходимости пайки

> Инструменты для пайки

> Подготовка рабочего места

> Методика профессиональной пайки

> Ошибки при пайке и способы их устранения

> Устранение опасности накопления статического электричества

> Использование различных наконечников для паяльников

Пайкой называется процесс неразъемного соединения электронных компонентов между собой на печатной плате или без нее для построения постоянной действующей электрической схемы. Для скрепления радиоэлементов между собой при пайке служит не клей, а расплавленный металл, который называется припоем. Он обеспечивает не только физическое соединение между проводниками и элементами схемы, но и сам обладает проводимостью. Несмотря на то что температуры при пайке могут превышать 400 градусов Цельсия, сама процедура довольно интересна и безопасна (при условии соблюдения простейших р предосторожности). Для ее осуществления требуется минимум рабочих инструментов и расходных материалов, большинство из которых можно легко приобрести в магазине радиотоваров.

Паять иль не паять: вот в чем вопрос

Перед тем как приступить непосредственно к пайке, стоит поговорить о том, а нужно ли паять вообще. Некоторые электронные компоненты паять не требуется — взамен можно использовать макетные платы (в отверстия на такой плате вставляются выводы радиоэлементов соединяются между собой, хотя такие контакты и не фиксируются), особенно если схема находится в стадии разработки и может еще многократно переделываться.

Использование беспаечных макетных плат предпочтительнее в следующих случаях.

> Экспериментирование с новыми идеями. Возможно, при разработке схемы вам захочется заменить те или иные компоненты, попробовать другие номиналы или сделать еще что-то подобное. Хотя такую экспериментальную схему и можно спаять, любые ошибки или изменения потребуют повторного вмешательства с паяльником в руках, т.е. снова расплава олова, удаления лишнего припоя и т.п.

> Тестирование схемы на предмет ее правильного функционирования. Даже профессионалы в электронике сначала пробуют свои схемы на макетных платах, прежде чем паять их навсегда. Использование макетных плат всегда позволит внести необходимые изменения по улучшению устройства.

> Постоянная схема не нужна или не важна. Сконструировать гирлянду для миниатюрной новогодней елки, можно и используя макетную плату. Да и вообще — такая гирлянда будет нужна только пару рождественских недель; придет середина января, и ее можно будет разобрать на составные части и использовать (включая саму макетку) для нового суперпроекта — например, для мерцающего сердечка на день святого Валентина.

> Схема должна поддаваться изменениям прямо во время функционировании. Иногда для того, чтобы вносить в схему возможность изменения ее параметров во время работы, приходится изменять номиналы ее компонентов или имегь какую-либо другую возможность переконфигурации. Обычно для изменения конфигурации схемы достаточно переключить связи между ее резисторами или конденсаторами. Такие изменения легче всего сделать опять же на макетной плате.

С другой стороны, любую схему, которая предназначена для постоянной или активной работы, необходимо спаять. Ниже приведено несколько наиболее распространенных! примеров, когда пайка практически необходима. (Соединение пайкой обеспесивает отличный механический и — самое важное — электрический контакт — на молекулярном уровне. Приведенные авторами ниже преимущества как раз и являются следствием образования такого контакта. — Примеч. ред.)

> При использовании схемы в условиях активного обращения, движения, вибраций или там, где возможно ослабление электрических контактов. Такие ситуации могут возникнуть, прежде всего, в схемах, которые планируется использовать в автомобилях как, например, индикатор скорости потока встречного ветру или же просто в движущихся изделиях как электронные локаторы для робота.

> Правильно спаянная схема прослужит намного дольше, чем собранная на макетной плате. Если планируется использовать схему более, чем несколько недель, то всегда лучше спаять ее раз и навсегда.

> Соединения пайкой менее подвержены эффекту паразитных емкостей. Длина выводов компонентов и их соединение на макетной плате скруткой приводит к появлению паразитных емкостей (между скрученными выводами возникает искажение электромагнитного поля, и между ними, как между обкладками конденсатора, запасается энергия). Паразитные емкости могут заметно повлиять на работу схемы, приводя к непредсказуемым последствиям. Особенно эти эффекты становятся опасными при работе схем, правильное функционирование которых зависит от временных постоянных, задаваемых емкостями.

> Настоятельно рекомендуется соединять пайкой любую схему, предназначенную для питания непосредственно от электрической сети. При пайке всех проводников и компонентов такого устройства на жесткой плате и в корпусе значительно уменьшается риск получить удар электрическим током.

> Пайка также является оптимальным выбором при соединении элементов устройств с большими значениями токов, как, например, в электродвигателях. Беспаечное соединение не способно обеспечить токи, больше одного или двух ампер; при превышении этого значения компоненты могут начать плавиться.

Вещи, абсолютно необходимые для пайки

Безусловно, начинающему радиолюбителю приятно услышать, что для пайки нужно иметь под рукой только несколько простейших инструментов. Самые бесхитростные паяльники можно приобрести на базаре за 5 долларов, но для более-менее удобной пайки желательно прикупить что-то получше. Ниже приведен перечень необходимых инструментов.

> Паяльник. Паяльником называется простой прибор, состоящий из отполированного металлического наконечника (жала), нагревательного элемента и рукоятки (см. рис. 8.1). Он выглядит как прибор для выжигания, да и выполняет похожие функции. При работе с электроникой не стоит использовать громоздкие паяльники дедушки-электрика, поскольку их мощность чересчур велика. Для выполнения стандартных работ будет достаточно паяльника мощностью 25-35 Вт; идеальным будет 30-ваттный. Крайне желательно купить паяльник с заменяемым наконечником — когда старый износится, его всегда можно будет заменить.

> Подставка под паяльник. Более-менее дорогие паяльники, в отличие от самых дешевых, продаются вместе с подставкой. Ее отсутствие здорово связывает руки, когда горячий паяльник на минуту нужно отложить; она помогает избежать лишних неприятностей. Поверьте: горячий паяльник так и норовит скатиться со стола прямо на колени. Ч-черт!

> Припой. Припоем называется плавкий металл, который и служит для соединения проводников. Идеальный припой для работы с электроникой выпускается в виде проволоки и имеет обозначение 60/40. (Например, ПОС-60 — отечественный припой. — Примеч. ред.) Это обозначение указывает, что материал припоя состоит на 60 процентов из олова и на 40 из свинца (точные цифры могут чуть-чуть отличаться). Существует также трубчатый припой (та же проволока), сердцевина которого включает флюсовые добавки. (Флюсом называют воскоподобное вещество, помогающее расплавленному припою растекаться вокруг проводников и выводов элементов, обеспечивая отличное соединение. (Флюс также служит для удаления окислов с поверхностей материалов и предотвращения окисления места контакта. — Примеч. ред.) Припой выпускается в виде катушек с проволокой различного диаметра. Самый распространенный диаметр — 1 мм. В принципе, использование в небольших электронных схемах припоя толще 2 мм весьма проблематично. (В странах с метрической системой (включая нашу) принято указывать диаметр проволочного припоя в миллиметрах; в США же, к примеру, размер выражается при помощи калибров проводов. — Примеч. ред.)

Подробнее о калибрах проводов шла речь в главе 3. Поскольку эта система у нас не распространена, то единственное, что на всякий случай следует запомнить, это то, что, чем больше номер калибра, тем меньше диаметр, и наоборот.

В процессе пайки активно выделяются токсичные пары свинца. Во избежание их вредного влияния можно купить бессвинцовый припой. Такие виды припоя содержат другие материалы: к примеру, 95 процентов олова и 5 процентов сурьмы. Однако практически любой металл, составляющий припой (будь то свинец, висмут или индий, а впрочем и та же сурьма), в той или иной степени опасен. Потому всегда паяйте в хорошо проветриваемом помещении, независимо от типа припоя! Совершенно безопасного припоя не придумано до сих пор. Не рекомендуется использовать серебряный припой или любой другой припой, не предназначенный для работы с электроникой, особенно припой для водопроводных медных труб. Такие припои не могут обеспечить необходимую проводимость соединения, как стандартный трубчатый припой, и могут привести к коррозии контакта или его загрязнению, в результате чего схема может полностью выйти из строя. (Для пайки железа, меди, латуни используют припои с низким содержанием олова, и т.д. — Примеч. ред.) (Различные типы припоя применяют для различных задач, исходя из их свойств: вязкости, температуры плавления, прочности шва. Так серебряные припои используют в hi-fi аудиотехнике, где нужно обеспечить низкое сопротивление, хотя они и более дорогие.)

Также при пайке могут пригодиться и некоторые другие инструменты, которые можно достать в магазинах радиоэлектроники.

> Мокрая губка. Для снятия с жала паяльника лишнего припоя и флюса используется пористая губка, смоченная водой. В принципе, подойдет и обычная (но обязательно чистая) кухонная губка. В самом крайнем случае можно взять и мокрую салфетку; ее нужно смочить, отжать лишнюю воду и использовать как губку. (Иногда применяют металлические губки, подобные кухонным "ежикам". Такие губки представляют собой тонкую металлическую сетку, скрученную в спираль. Их не нужно мочить, от них не идет пар при касании паяльником, и они лучше снимают олово. — Примеч. ред.)

> Увеличительное стекло (4- или 6-кратное). Такая линза поможет убедиться в отличном качестве работы. После пропайки соединения всегда полезно убедиться в его качестве, проверив форму и чистоту, а также то, что олово не касается прилегающих выводов ИС или дорожек.

> Отсос для припоя. Отсос служит для удаления лишнего олова с контактных площадок печатной платы. Он представляет собой трубку с подпружиненным поршнем посередине, который создает вакуум. Для его использования достаточно разогреть олово на плате и затем быстро поместить сопло отсоса на нагретый припой. Нажатие на кнопку отпускает пружину, в результате чего поршень резко подскочит вверх, отсасывая жидкий металл с платы.

> Смывка для флюса. Доступна в баночках или в виде спрея. Такие смывки крайне рекомендуется использовать для удаления с платы остатков флюса, который может привести к окислению контактов. (Существуют также специальные бессмывочные флюсы. — Примеч. ред.)

> Струбцинный зажим. Процесс пайки мог бы стать намного проще, если бы у человека было три руки. Увы, большинство людей имеет лишь две, потому приходится использовать небольшие зажимы, в которых можно закрепить деталь во время пайки. Обычно они имеют вид струбцин. Такой зажим с линзой показан на рис. 8.2. Струбцину можно купить как с увеличительным стеклом, так и без него.

Выбор подходящего паяльника

Простейший, пожалуй, паяльник, пригодный для комфортной работы с электроникой, выглядит так, как показано на рис. 8.3; он состоит из сменного наконечника и 25-35-ваттного нагревательного элемента. Таким паяльником можно соединить радиодетали между собой, но вряд ли стоит требовать от него красивого и впечатляющего результата. При не столь большой разнице в цене паяльник с регулировкой температуры поможет добиться значительно лучших результатов меньшими усилиями. Регулятор позволит выбрать именно такую температуру, которая нужна для выполнения данного вида пайки.

Хотя самые продвинутые паяльники с регулировкой температуры и имеют цифровой дисплей, показывающий текущую температуру жала, подобные "навороты" совсем не обязательны. Немного практики, и вы научитесь устанавливать температуру, ориентируясь по времени, за которое паяльник расплавляет олово.

Если в комплекте с паяльником нет подставки, то очень рекомендуется приобрести ее. Подставка стоит сущие копейки, но избавит от дурной привычки класть разогретый прибор прямо на стол. Теперь уже не удастся так просто опалить какой-нибудь провод, кусок стола или себя!

Лучше всего приобрести паяльник с заземляющим проводом и соответствующим контактом в розетке. Такая конструкция безопаснее в том смысле, что, если вы вдруг коснетесь жалом провода под напряжением, вас не ударит током.

Выбор наконечника

Наконечник паяльника закрепляется (обычно закручивается или зажимается) на конце нагревательного элемента. Процедура пайки, собственно, осуществляется именно наконечником, или жалом. Придя в магазин, радиолюбитель обнаружит, что на его выбор представлены буквально сотни наконечников разных форм и размеров; но не стоит отчаиваться. Для большинства работ, связанных с электроникой, оптимальным вариантом является жало конической или зубчатой формы. Такие наконечники имеют разные размеры: как правило, удобнее всего работать с жалами диаметром от 1 до 2 мм.

К сожалению, часто даже у моделей одного производителя, не говоря уже о разных, наконечники не являются взаимозаменяемыми, поэтому стоит подумать перед покупкой, какую наиболее универсальную модель паяльника выбрать.

Заменять наконечник следует при первых признаках износа. Жало портится от коррозии, появления выщербин, покрытия загрязнениями, отслаивания залуженного слоя. Замена изношенного наконечника позволяет предотвратить снижение качества пайки вследствие уменьшения теплопроводности жала. Старый наконечник может существенно замедлить работу, ведь он больше не проводит такое же количество тепла к припою.

Подготовка паяльного оборудования

Перед началом пайки следует убедиться, что все рабочие инструменты подготовлены и находятся в пределах досягаемости. Для этого достаточно проверить следующие пункты.

1. Смочите губку или сложенную вчетверо бумажную салфетку; выжмите всю лишнюю воду. Губка должна быть влажной, но не мокрой.

2. Поставьте паяльник в держатель на подставке и включите его в сеть.

3. Если паяльник имеет функцию регулировки температуры, то лучше всего выставить ее равной 250-400 °С. (Для пайки микросхем рекомендуются температуры не более 300 °С. — Примеч. ред.)

4. Подождите, пока паяльник не разогреется до нужной температуры. Обычно для 25-30-ваттных инструментов на это уходит одна-две минуты. Большинство паяльников с сенсорами температуры (термопарами) извещают о достижении выставленной температуры световой индикацией.

Если жало паяльника новое, то рекомендуется сперва залудить его. Лужение (покрытие тонким слоем олова) позволяет припою растекаться по кончику жала и тем самым предотвращает образование на нем больших капель. Если такая капля упадет на схему, велика вероятность, что она замкнет накоротко какие-нибудь контакты на плате. Правильно паять следует так: когда наконечник разогревается до нужной температуры, к нему подносят припой и снимают им небольшой кусочек металла. Лишний припой необходимо удалить с кончика, вытерев жало о губку, если нужно. Также рекомендуется периодически очищать жало от загрязнений и остатков флюса. Если же на наконечнике грязь уже спеклась, и вытереть ее становится затруднительным, то всегда можно воспользоваться специальными очистителями.

Успешная пайка

Успешная пайка требует выполнения нескольких простых правил, наличия опыта и рактики.

Во время пайки следует помнить о следующем.

> Чем чище поверхность металла, тем лучше к ней прилегает припой. Поверхность вытравленной печатной платы и кончики проводов можно очистить от загрязнений изопропиловым спиртом. Перед самой пайкой нужно дождаться, пока поверхность не высохнет: вам ведь не нужно, чтобы она вспыхнула, как спичка!

> Держите паяльник под углом 30-45 градусов к рабочей поверхности (рис. 8.4). При использовании зазубренного наконечника плоская часть кончика жала будет находиться как раз параллельно поверхности печатной платы, обеспечивая дополнительное удобство при пайке соединений.

> Всегда прикладывайте наконечник паяльника к рабочему элементу, а не разогревайте припой. К примеру, при пайке провода в переходное отверстие на плате следует коснуться кончиком жала провода и контактной площадки возле переходного отверстия, как показано на рис. 8.5. Затем подождите пару секунд и нанесите на разогретую область платы припой. Как только олово растечется по выводу элемента и контактной площадке, сразу уберите жало паяльника.

> Наносите минимально необходимый объем припоя. Слишком мало припоя, и соединение получится ненадежным; слишком много — и припой застынет в форме огромной капли, замыкая близлежащие выводы радиоэлементов и контактные площадки.

> Необходимый объем припоя можно контролировать по форме расплавленного металла: если между проводом (выводом элемента) и печатной платой образовалась подушечка из нагретого припоя, то все нормально.

> Избегайте наносить дополнительный припой на уже пропаянные соединения. Дополнительный припой на готовых соединениях может привести к дефекту, известному под названием "соединение холодной пайкой", и в результате схема может отказаться работать вообще. Подробнее о дефектах пайки и о том, как научиться их избегать, рассказано в следующем разделе — "От холодной пайки, как от чумы".

Если прогревать радиоэлементы паяльником в течение слишком долгого интервала времени, то с большой вероятностью можно повредить их. Следует разогревать элемент ровно на такой промежуток времени, сколько требуется для обеспечения качественного соединения — ни больше, ни меньше.

При пайке чувствительных к термическому воздействию электронных компонентов рекомендуется использовать пристяжной теплоотвод. Такое приспособление выглядит как миниатюрный алюминиевый зажим, оснащенный пружинкой, который можно нацепить на радиодеталь. Теплоотвод отбирает лишнее тепло с элемента, защищая его от перегрева паяльником. Лучше всего крепить зажим на припаиваемом проводе так близко к элементу, как только возможно. При этом, однако, не стоит забывать о прочих мерах безопасности при пайке термочувствительных деталей.

От холодной пайки, как от чумы

Так называемое соединение холодной пайкой образуется в случае, когда металл не растекается полностью вокруг вывода радиоэлемента. Такие контакты физически ненадежнее, чем правильно сделанные соединения, а вдобавок и проводимость их существенно ниже.

Часто (хотя и не всегда) такие соединения можно идентифицировать просто по внешнему виду — они выглядят как тусклые серые капли припоя, а не как блестящие, чуть ли не зеркальные контакты правильных соединений. Кроме того, нередко вместо почти правильной круглой или овальной формы соединения холодной пайкой имеют рваные, зазубренные края.

К появлению дефектных соединений холодной пайкой могут привести довольно многочисленные причины.

> Элемент устанавливался на свое место слишком медленно, когда припой уже застывал. Следует избегать лишних движений после того, как металл припоя расплавился. Когда припой все еще жидкий, но начинает охлаждаться, наступает так называемая пластичная фаза состояния материала. Если вдруг вы случайно сдвинули компонент с его места неосторожным движением, то необходимо сразу же разогреть еще не остывший припой, коснувшись его жалом паяльника.

> Соединение покрыто пленкой грязи или жира. Необходимо убедиться, что все спаиваемые контакты абсолютно чисты.

> Спаиваемые поверхности не были разогреты до требуемых температур. Следует убедиться, что выводы радиоэлемента (провод, контактная площадка и т.п.) разогреты достаточно сильно, чтобы припой расплавился до жидкого состояния.

> Припой наносился на жало паяльника, а нужно наносить его непосредственно на рабочую (спаиваемую) деталь.

> Контакт паялся более одного раза. Если возникла необходимость пропаять уже имеющееся соединение, то велика вероятность, что старый припой не разогреется так же хорошо, поэтому лучше всего удалить его как можно тщательнее и уже потом пропаять контакт заново.

При встрече с любой из этих ситуаций, кроме первой, лучшим вариантом будет удалить старый припой и затем нанести новый на хорошо разогретые поверхности. Перепаивать ненадежные контакты не рекомендуется, поскольку разогреть старый припой до жидкого состояния труднее, и, скорее всего, дело закончится еще одним соединением холодной пайкой. Советы по правильному исправлению дефектов пайки приведены в разделе "Отпаиваем и перепаиваем" ниже по тексту главы.

Пайка и статическое электричество

В процессе пайки может возникнуть опасность электростатического разряда (ЭСР), который, как известно, повреждает чувствительные электронные компоненты и может пустить коту под хвост всю многодневную работу. Даже просто касание радиодеталей и печатной платы руками или паяльником чревато риском. Этот риск нельзя исключить полностью, но можно существенно уменьшить.

К счастью, не все радиоэлементы чувствительны к статическому электричеству. Однако из соображений безопасности лучше помнить о нем, что бы вы не паяли. Список степени уязвимости различных электронных компонентов приведен в главе 2, табл. 2.3.

Пресечение электростатического разряда в зародыше

Ну что же, составим список тех нескольких мер, которые помогут пресечь риск возникновения электростатического разряда.

> Огромное влияние на накопление электростатического заряда оказывает вид носимой одежды. Синтетика практически наверняка накопит статику на себе, поэтому лучше носить одежду из натурального хлопка.

> Если в рабочем помещении на полу лежит ковер, то лучше работать в тапочках, чем босиком или в носках.

> Всегда, когда возможно, рекомендуется носить антистатический браслет. Провод от браслета следует заземлить, и тогда заряд будет стекать с тела на землю. Одна из множества модификаций подобных браслетов изображена на рис. 8.6.

Меры по борьбе со статическим электричеством

Чтобы окончательно покончить с опасностью возникновения электростатического разряда, можно приобрести еще некоторые дополнительные средства борьбы с ним.

> Антистатический коврик. Неплохо поместить на пол в рабочем помещении антистатическое покрытие, особенно если пол укрыт густым ковром. Эта простая мера воспрепятствует накоплению статики при скольжении ног по полу.

Отличным решением будет использовать антистатический коврик и на рабочем столе. При этом следует избегать нейлоновых покрытий, которые новички в электронике столь часто приобретают по незнанию; такой коврик служит красивой и стильной подложкой для рук, но совершенно не подходит для уменьшения риска электростатического разряда.

> Антистатический спрей. Если найти антистатическое покрытие все же не удалось, то можно хотя бы купить антистатический спрей. Однако следует помнить, что некоторые такие спреи просто притягивают грязь, потому, видимо, придется чаще чистить ковер.

> Антистатические пакеты. Содержать чувствительные к статике электронные компоненты лучше в специальных пакетах, где они могут храниться вплоть до использования. Большинство радиоэлементов и так идет в подобных упаковках, а микросхемы часто даже пакуются в пену с антистатическими свойствами. Вообще — по возможности избегайте контакта радиодеталей с руками до самого последнего момента.

Накопление статического заряда превращается в особенно серьезную проблему в сухую погоду. Если вы живете в местности с сухим климатом, придется соблюдать более строгие меры по борьбе со статикой. Для этого может понадобиться приобрести увлажнители воздуха, электрически заземляемые антистатические покрытия и другие средства, предлагаемые на рынке для уменьшения риска возникновения ЭСР, даже если они будут стоить немалые деньги. Во всяком случае, так будет все равно дешевле, чем переезд в тропические джунгли в сезон дождей.

Поиск по сайту: